张光省，王燕平，张 磊1,，刘传新1,

(1.苏交科集团股份有限公司，南京 211112；2.扬州市隧道管理处，扬州 225100)

随着城市化和工业化进程的加快，我国东部地区城市修建盾构隧道的数量在逐年增长，考虑到沿海软土、淤泥质黏土等不良地质条件[1]，邻近基坑工程建设会对盾构隧道结构形态和稳定性造成影响，严重时可能造成隧道主体结构的破坏，威胁交通运营安全[2]。因此，针对邻近既有盾构隧道的基坑工程施工安全影响评估具有重要的实用价值。

目前国内相关研究较多，杨骏等[3]采用FLAC 3D软件进行数值模拟，就软土地区深基坑施工过程对既有地铁盾构隧道结构的影响原理及规律进行研究。王道钢[4]以某市金融城深基坑施工为背景，采用ABAQUS有限元软件针对深基坑开挖以及降水对邻近地铁盾构隧道的影响进行数值计算分析，揭示各阶段盾构隧道位移和内力的变化规律。范宇等[5]根据某市深基坑施工紧邻既有城市地铁车站及区间隧道的工程情况,采用有限元法对基坑开挖进行数值模拟分析,研究深基坑施工对紧邻地铁盾构隧道的影响以及应采取的控制措施。

本研究针对某市基坑开挖降水对邻近盾构隧道的影响，采用FLAC 3D有限元软件进行数值计算分析，揭示各阶段盾构隧道的位移和内力变化规律，提出盾构隧道保护的措施和对策，为工程设计、施工和风险控制工作提供参考。

1 工程概况

某市地产开发项目拟开挖地下室基坑，深约为5.8 m，长约为230 m，宽约为200 m，总建筑面积为102 285.59 m2，其中地上建筑面积为59 085.8 m2、地下建筑面积为43 199.79 m2。基坑均采用三轴水泥搅拌桩止水，其中北侧F～G段、南侧B～C段和南侧D～E段三轴水泥搅拌桩内插长为6 m的Φ108×6钢管，地下室基坑各侧均采用二级放坡支护方案，坡比为1∶0.75～1∶0.80，平台宽为0.50 m，局部坑中坑等落深处也采用放坡支护方案,坡比为1∶0.75，基坑支护结构平面布置如图1所示。

图1 基坑支护结构平面布置

扬州瘦西湖隧道东入口段靠近基坑工程北侧围护结构，扬州瘦西湖隧道于2011年8月开始施工，2014年9月运营通车。该隧道工程设计为城市主干道-Ⅱ级，双向4车道，设计车速为60 km/h，主线隧道中间段采用盾构法施工，两端均采用明挖法施工，目前隧道运营状况良好。

隧道沿基坑北侧围护结构经过一段敞开段后，进入暗埋段，基坑边线至隧道主体结构边线约为30 m，基坑底板比隧道主体结构底板低0.5～5.4 m。基坑与隧道的相对位置关系如图2所示。

图2 基坑与隧道的相对位置关系

2 评估标准及影响分析

2.1 评估标准

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)等相关规范[6-8]要求，确定安全控制标准量化指标为：①隧道(外边线)两侧5 m范围内不得进行任何工程施工；②隧道结构水平位移预警值为10 mm、控制值为20 mm；③隧道结构竖向位移预警值为10 mm、控制值为20 mm；④隧道径向收敛预警值为10 mm、控制值为20 mm；⑤由于降水、维护桩施工等施工因素而引起的隧道外壁附加荷载≤20 kPa。

2.2 影响分析

采用同济启明星深基坑支挡结构分析计算软件FRWS对基坑工程各个工况进行计算，基坑工程支护结构稳定性计算结果统计如表1所示。

表1 基坑工程支护结构稳定性计算结果统计

对照安全控制标准，基坑支护结构的整体稳定性符合要求，结构安全得到保障。

3 基坑施工数值模拟

3.1 数值仿真模型建立

采用FLAC 3D仿真计算软件，建立331 m×346 m×30 m的三维模型，基坑靠近隧道一侧与隧道主体结构距离取30 m，三维仿真模型如图3所示。

图3 三维仿真模型

土体、基坑支护结构和隧道主体结构均采用实体单元模拟，岩土材料的本构关系采用摩尔-库伦弹塑性本构模型，钢筋混凝土结构采用各向同性的线弹性本构模型，模型各项材料的物理力学参数如表2所示。

表2 模型各项材料的物理力学参数

模型左右边界约束水平方向的位移，底部边界约束竖向位移，地表为自然边界，所有自由度均不约束，渗流边界采用不透水边界条件。在隧道主体结构内边界和基坑开挖后的内边界上，固定节点孔压为0，模拟隧道内部和基坑内部的实际流体边界状态。

模型计算步骤为：①初始平衡；②隧道开挖及支护结构施工；③基坑疏干降水；④第一层基坑开挖；⑤第二层基坑开挖。在基坑开挖之前，应将模型的位移清零，并在每层基坑施工完成后，提取基坑和隧道结构的位移及应力，以定量分析基坑施工对隧道的影响。

3.2 仿真计算结果分析

3.2.1 基坑降水对隧道的影响

初始地下水位埋深为2.5 m，基坑开挖深度为5.8 m，疏干降水至坑底以下0.5 m后，降水后隧道水平位移分布云图如图4所示，降水后隧道竖向位移分布云图如图5所示，降水后隧道最大主应力分布云图如图6所示，降水后隧道最小主应力分布云图如图7所示。

图4 降水后隧道水平位移分布云图(单位：m)

图5 降水后隧道竖向位移分布云图(单位：m)

图6 降水后隧道最大主应力分布云图(单位：Pa)

图7 降水后隧道最小主应力分布云图(单位：Pa)

基坑降水后，隧道水平位移最大值为1.63 mm，竖向位移最大值为2.45 mm。根据安全控制标准，隧道的水平变形、竖向变形以及合位移均小于预警值，满足要求。最大主应力最大值为0.847 MPa，为拉应力，小于混凝土抗拉强度设计值，最小主应力最大值为-2.21 MPa，为压应力，远小于混凝土抗压强度设计值，表明此时结构较为安全。

3.2.2 第一层基坑开挖对隧道的影响

第一层基坑开挖后隧道水平位移云图如图8所示，第一层基坑开挖后隧道竖向位移云图如图9所示，第一层基坑开挖后隧道最大主应力云图如图10所示，第一层基坑开挖后隧道最小主应力云图如图11所示。

图8 第一层基坑开挖后隧道水平位移云图(单位：m)

图9 第一层基坑开挖后隧道竖向位移云图(单位：m)

图10 第一层基坑开挖后隧道最大主应力云图(单位：Pa)

图11 第一层基坑开挖后隧道最小主应力云图(单位：Pa)

第一层基坑施工结束后，隧道水平位移最大值为2.85 mm，竖向位移最大值为5.89 mm，位移最大的位置出现在隧道敞口段与暗埋段的连接部位附近，根据安全控制标准，隧道的水平变形和竖向变形均小于预警值，满足要求。最大主应力最大值约为1.07 MPa，为拉应力，小于混凝土抗拉强度设计值，最小主应力最大值约为-2.77 MPa，为压应力，远小于混凝土抗压强度设计值，表明此时隧道结构较为安全，无裂损风险。

3.2.3 第二层基坑开挖对隧道的影响

第二层基坑开挖后隧道水平位移云图如图12所示，第二层基坑开挖后隧道竖向位移云图如图13所示，第二层基坑开挖后隧道最大主应力云图如图14所示，第二层基坑开挖后隧道最小主应力云图如图15所示。

图12 第二层基坑开挖后隧道水平位移云图(单位：m)

图13 第二层基坑开挖后隧道竖向位移云图(单位：m)

图14 第二层基坑开挖后隧道最大主应力云图(单位：Pa)

图15 第二层基坑开挖后隧道最小主应力云图(单位：Pa)

第二层基坑施工结束后，最大水平位移约为3.35 mm，最大竖向位移约为6.89 mm，位移最大的位置出现在隧道敞口段与暗埋段的连接部位附近，根据安全控制标准，第二层基坑开挖完成后，隧道的水平变形和竖向变形均未超出预警值，但在隧道敞口段与暗埋段的连接部位附近，合位移值极为接近预警值，考虑到施工时的扰动以及现场不可控因素的影响，敞口段与暗埋段的连接段施工应采取相应的控制措施，减少基坑施工对隧道结构的影响。

隧道的最大主应力最大值约为1.47 MPa，为拉应力，小于混凝土抗拉强度设计值，最小主应力最大值约为-3.496 MPa，为压应力，远小于混凝土抗压强度设计值。此时扬州瘦西湖隧道敞口段与暗埋段的连接部位附近的最小主应力值较大，而在隧道入口处则是最大主应力值较大，考虑到实际施工扰动可能导致敞口段入口处产生结构裂损的情况，施工中应予以重视。

3.2.4 计算结果汇总

将前文分析的隧道结构位移和应力响应情况进行汇总，基坑开挖对隧道影响的仿真计算结果汇总如表3所示。

表3 基坑开挖对隧道影响的仿真计算结果汇总

4 结论

采用FLAC 3D软件对基坑施工进行流固耦合计算，从数值仿真的角度研究基坑施工对盾构隧道的影响，得到以下结论。

(1)基坑降水及第一层基坑开挖完成后，隧道的受力和变形量均远小于预警值，但第二层基坑开挖完成后，隧道的总体变形量极为接近预警值。

(2)基坑开挖过程中，位移最大的位置出现在隧道敞口段与暗埋段的连接部位附近，施工时应将隧道结构外线两侧5 m范围设为特别保护区，特别保护区内不得进行任何工程活动，如堆载、开挖和降水等，另外还须做好隧道的定期检查及变形实时监测工作。

(3)基坑围护结构施工时，应注意控制注浆压力，防止注浆压力过大引起周边土体上拱或侧移。建议基坑内疏干降水深度控制在基坑底以下0.5 m左右。雨期施工时，应在基坑内底和基坑顶采取有效的截排水措施。

(4)本研究分析了基坑开挖施工各阶段对盾构隧道主体结构受力和变形的影响规律，提出盾构隧道的保护对策，可为相关工程的施工和风险控制提供参考。